Астапов Мюонная диагностика магнитосферы и атмосферы земли 2014

космических лучей открылись с появлением широкоапертурных мюонных годоскопов ТЕМП и УРАГАН (см. раздел 1.2). На рис. 3.8 изображена зона чувствительности установки УРАГАН с учетом асимптотических направлений сноса первичных протонов в магнитосфере Земли.

Longitude (E)

Рис. 3.8. Асимптотические направления галактических протонов для зенитных углов регистрируемых мюонов 30°, 45°, 60° и 75°.

Звезда – местоположение детектора УРАГАН

Видно, что зона приема мюонного годоскопа значительно превышает возможности десятков нейтронных мониторов или многонаправленных мюонных телескопов.

71

Не менее важным преимуществом мюонных годоскопов является высокая угловая точность реконструкции треков мюонов. Для установки УРАГАН она составляет около 0.8 градуса, что значительно превышает параметры мультинаправленных мюонных телескопов. Такая угловая точность позволяет получать мюонные снимки небесной полусферы с высоким угловым разрешением. С помощью даже одной подобной установки можно наблюдать значительный участок небесной сферы и вести "мюонную съемку" возмущений в околоземном пространстве.

На рис. 3.9 приведен пример мюонного кадра во время форбушпонижения 10 июля 2006 года. Снимок изображен в системе координат GSE, ось Z в которой направлена перпендикулярно плоскости эклиптики в направлении северного полюса Солнца, ось X направлена на Солнце, ось Y – в соответствии с правой системой координат. В центре GSE карты схематично обозначено Солнце (ось X направлена в рисунок). Рядом указано направление прихода

линии ММП (–45 ). Систему GSE можно рассматривать как проекцию в гелиосферу (с учетом наклона земной оси вращения) географической карты с помощью перпендикуляров, поднятых из каждой точке на поверхности Земли. При этом можно считать, что направление на Солнце (XGSE=ZGSE=0) соответствует точке на поверхности Земли, в которой Солнце находится в зените.

Рис. 3.9. "Мюонный снимок" гелиосферы в отсутствие (слева, 08 июля, 12:00 UT) и во время форбуш-понижения (справа, 10 июля, 12:00 UT)

Более темная область на снимке отображает избыток или недостаток мюонов относительно среднего значения из данного направления небесной сферы. Мюонная съемка позволяет проводить в реальном времени анализ состояния гелиосферы, обнаруживать различные возмущения и прослеживать динамику их развития и движения по небесной сфере.

72

3.3. Методика определения характеристик форбуш-понижений

Для количественного анализа форбуш-понижений обычно используются временные ряды, построенные на основе данных различных наземных детекторов: нейтронных мониторов и мюонных телескопов и годоскопов. Можно использовать как интегральный темп счета, так и (при возможности) данные по интенсивности под различными зенитными углами или вообще из отдельных областей телесного угла на небесной сфере. До начала анализа модуляций космических лучей, вызванных внеатмосферными процессами, необходимо внести поправки, связанные с влиянием атмосферы на поток комических лучей на поверхности Земли (температурный и барометрический эффекты – см. раздел 4). Для работы удобно использовать ненормированные 10-минутные ряды темпа счета установок.

Рис. 3.10. Вариации темпа счета нейтронов в 2004 и 2005 гг. по данным МНМ

Экспериментальные данные по вариациям потока космических лучей, в том числе во время форбуш-эффектов, аккумулируются в Мировой сети данных космических лучей

73

74

На рисунке овалами выделены периоды, в которые наблюдались форбуш-эффекты. Как видно из рисунка, такие эффекты не являются редкостью, особенно в годы максимальной Солнечной активности, и довольно сильно различаются между собой. Для более детального анализа периодов понижения темпа счета можно использовать данные со страницы ИЗМИРАН http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm, которые представляют собой

10-минутный темп счета нейтронов МНМ, скорректированных на барометрический эффект (рис. 3.11).

На рис. 3.11 представлены наиболее типичные ФП, которые

имеют свои особенности: на рис. 3.11а после резкого первоначального падения темп счета на протяжении нескольких суток продолжает плавно падать, что затрудняет определение

момента окончания падения; на рис. 3.11б представлено сильное более или менее классическое ФП; на рис. 3.11в представлено небольшое ФП, где начало падения темпа счета совпадает с

максимум суточного цикла, а завершение с минимумом, при том, что суточный ход составляет около 2 % при амплитуде падения 4 %; на рис. 3.11г комплексное событие каскад ФП, GLE и эффект, возможно, вызванный прохождением магнитного облака или ударной волны в гелиосфере; рис. 3.11д – два

последовательных ФП; на рис. 3.8е классическое ФП. Многообразие типов ФП, продемонстрированное выше, говорит о том, что определение основных характеристик ФП является сложной задачей и требует отдельного рассмотрения.

Важнейшим параметром форбуш-понижения является амплитуда падения темпа счета космических лучей (AFD), поэтому важно измерять эту величину с наименьшими неопределенностями. Проблема ее корректного определения связана с наличием в темпе счета суточных вариаций и различных трендов, которые модулируют поведение интенсивности космических лучей. Эта проблема может быть решена с помощью последовательных усреднений темпа счета до и после ФЭ за различные интервалы времени с учетом различных трендов (суточные вариации, префорбуш-повышения, восстановление и т.д.).

75

Для определения характеристик ФП вводится несколько параметров (рис. 3.12):

Ibs(i, j) набор средних значений темпа счета до ФЭ;

Irs(k ,m) набор средних значений темпа счета после ФЭ;

Рис. 3.12. Параметры, характеризующие ФП

76

Анализ ФЭ начинается с определения времени начала и окончания падения t1 и t2 (см. рис. 3.12) – и выделения временных рядов до t1 (Ib) и после t2 (Ir). С помощью линейной аппроксимации

Ib(t) и Ir(t) вычисляются наклоны Bb(i) за i суток (i = 1, 2, 3) до ФП и Br(k ) за k суток (k = 1, 2, 3) после ФП, с учетом которых строятся выпрямленные временные ряды Ibs(i) (t) и Irs(k ) (t) :

суткам (k m), соответственно, в результате чего получаем средние

значения темпа счета до ФЭ Ibs(i, j) и после ФП Irs(k ,m) . В результате усреднений получается набор из 36 различных значений амплитуд:

Для оценки погрешности определения амплитуды используется

также вычисляется ошибка AFD = n .

В качестве дополнительной информации и для дальнейшего

77

Момент восстановления t3 определяется следующим образом: берется среднее значение темпа счета до ФП за сутки и сравнивается с темпом счета после точки t2. В случае если из шести последовательных точек (т.е. в течение часа) хотя бы для трех точек темп счета больше среднего значения темпа счета до ФП, то третья точка из этих шести принимается за момент восстановления. После этого наклон b рассчитывается с помощью линейной аппроксимации временного ряда от t2 до t3, время восстановления

ФП – как Tr = t3 – t2, а время падения TFD = t2 – t1.

Такой подход к определению характеристик ФП позволяет: получать значение амплитуды падения и другие параметры, характеризующие ФП (время падения, время восстановления, наклон восстановления и т.д.) с учетом различных трендов (суточные вариации, префорбуш-повышения, восстановление и т.д.). Данная методика может быть использована при анализе ФП, регистрируемых различными установками.

Для облегчения процедуры расчета характеристик ФП можно использовать специальную программу forbush.exe, которая позволяет на выходе получать количественную информацию в виде

паспорта на ФП, и качественную в виде графика с нанесенными параметрами. Входными данными программы являются временные ряды, представляющие собой ненормированный десятиминутный темп счета, скорректированный на барометрический эффект.

Вид программы forbush.exe при запуске представлен на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Внешний вид окна программы получения параметров ФП при запуске

78

Работа с программой начинается с открытия файла данных:

"Файл → Открыть файл" или . Формат данных приведен на рис. 3.14. Если в файле нет заголовка, то первая точка в обработке не учитывается. Темп счета должен приводиться с учетом барометрического эффекта. После того как файл открыт, в окне появится график темпа счета. При щелчке на график левой клавишей мыши в центре окна отображается время выбранной точки, сама точка на графике обозначается символом . Точку можно передвигать вдоль кривой клавишами клавиатуры "←" и "→". График можно сохранить в файл: "Файл → Сохранить

график" или . Доступны три формата: ".bmp" ".emf" и ".wmf". Можно перестроить график – стереть все линии кроме темпа счета:

"Обработка → Нарисовать график" или .

Заголовок

Дата и время: День.Месяц.Год Часы:Минуты

Темп счета, с учетом барометрического эффекта

Рис. 3.14. Формат данных

Для расчета необходимо ввести время начала форбушпонижения (ФП) (t1) и время окончания падения (t2) (рис. 3.15).

Произвести расчет: "Обработка → Расчет" или . Если в результате обработки время восстановления темпа счета (t3) не найдено (темп счета не восстановился до уровня перед ФП), то

79

появится соответствующее сообщение. В этом случае надо задать третью точку вручную и снова нажать на кнопку .

Отображаются при щелчке на график левой клавишей мыши

Название файла

Поле ввода даты t1 и t2

Рис. 3.15. Выделения точки окончания форбуш-понижения

После расчета в основном окне появятся панели выбора прорисовки графика (рис. 3.16).

После обработки данных появляется второе окно с таблицами, в которых представлены основные результаты (рис. 3.17). Для расчета средней амплитуды ФП в правой нижней таблице необходимо указать точки (единичками), по которым будет проводиться усреднение. Кнопка "Заполнить" выставляет во всех ячейках таблицы "1": все точки участвуют в усреднении. Кнопка "Удалить" стирает "1" во всех ячейках. Убрать или добавить единичку в ячейке можно щелчком левой кнопки мыши. После того как указали точки, надо нажать на кнопку "Рассчитать". Значение среднего, его ошибка и σ появятся в полях справа. В нижней части окна появится график (рис. 3.18), на котором будут приведены все точки (красным цветом показаны точки, участвующие в усреднении, серым – пропущенные). Красная линия на графике – значение среднего, линии синего цвета – AFD ± σ.

80